Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und...
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Elektrische Energieversorgung
Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule
Universität AugsburgDidaktik der Physik
1
Elektronenstrom und Energiestrom
2
Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher:
Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf.
Zufuhr von nicht elektrischer Energie
elektrische
Energie wird
übertragen
Abgabe von nicht elektrischer Energie
z. B. chemische Energiemechanische EnergieStrahlungsenergie
z. B. thermische Energiemechanische EnergieStrahlungsenergie
Elektronenstrom und Energiestrom
3
„Energie steckt in der Spannungsquelle“
Spannung U = ∆E Energieunterschied
U = = Q
E
Q
Wel
Q = I ∙ t
transportierte Energie E = U · I ∙ t = Wel
elektrische Arbeit Wel = Pel ∙ t
Pel = t
Wel
Leitungsverlust im realen Stromkreis
4
Bewegung erfordert Arbeit:
R = U / I
mit U = R ∙ I folgt:
W = U · I · t
W = R ∙ I ∙ I ∙ t = R · I2 · t
= Arbeit zur Überwindung des Widerstands
Leitungsverlust im realen Stromkreis
5
mit W = R · I2 · t ist:
Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis:
E = Woben + ∆ELampe + Wunten = Roben · I2 · t + PL ∙ t + Runten · I2 · t
mit P = E/t ist:
P = PV + PL
P = Roben · I2 + PL + Runten · I2 =(Ro + Ru) · I2+ PL
Bsp.: ElektrorasenmäherU = 230V PR = 1150W
RKabeltrommel ≈ 2 ∙ 0,0112 Ω/mUni – Impulsarena: (ca. 2 km)
50m:
Leitungslänge: Widerstand:
R = 1,12 Ω
R = 45 Ω
PV = 28 W
PV = 1125 W
Verlustleistung:I = 5A
HochspannungsübertragungReduktion der Verluste durch Verringerung der Stromstärke, d.h. die Anzahl der bewegten Teilchen nimmt ab;dafür muss die Spannung steigen, damit die transportierte Energiemenge(bzw. Leistung) erhalten bleibt.
PUni = 3400 W PL = 3400 W PStadion = 3400W
UUni = 230 V UL = 2300 V UStadion = 230 V
IUni = 5 A IL = 0,5A IStadion = 5A
PV (Uni-Stadion) = 11,25 W
vgl. ohne Transformation: R = 45Ω (Uni – Impulsarena): PV = 1125W bei PL = 1150W, 6
PV (50m Leitung) = 28 W PV (100m Leitung) = 56 W
Das Verteilungsnetz
7
Übliche Spannungen in Deutschland sind:
Niederspannung: 230V / 400V
Mittelspannung: 10 kV / 20 kV
Hochspannung : 110 kV
Höchstspannung: 220 kV 380 kV
Elektrokraftwerke
8
Wärmekraftwerk – Dampfkraftwerk:
Wärmequellen können sein: Kohle
Öl
Müll
Kernzerfallswärme
...
Elektrokraftwerke
9
Abgas
Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk:
Elektrokraftwerke
10
Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet:
Kernkraftwerk: (Nutzung von Wärmeenergie)
Elektrokraftwerke
11
Es stehen verschiedene varianten solarthermischer Kraftwerke (CSP-Kraftwerke)im Mittelpunkt der Diskussion:
Solarthermische Kraftwerke:
1. Parabolrinnenkraftwerke
2. Solarturmanlagen
3. Dish-Stirling-Anlagen
4. andere
Aufteilung CSP-KraftwerkeWeltweit 2008
94 %
6 %
Kalifornien, Kramer Junction
Elektrokraftwerke
12
Solarthermische Kraftwerke: 1. Parabolrinnenkraftwerke
Solarfeld Wärmetauscher Wärmetauscher
Salz-tank
Turbine
Elektrokraftwerke
13
Solarthermische Kraftwerke:
2. Solarturmanlagen
Solarturm bei Jülich (NRW)
Solarturm in Kalifornien
Video
Elektrokraftwerke
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Solarthermische Kraftwerke:
3. Dish-Stirling-Anlagen
Ein Parabolspiegel konzentriertdie Sonnenenergie auf einen Absorber.
Ein Arbeitsgas im Absorbertreibt den Stirlingmotor an.
Die dadurch entstandene mechanischeEnergie wird anschließend in einemGenerator in elektrische Energieumgewandelt.
Elektrokraftwerke
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Solarelektrische Direktumwandlung:
Photovoltaischer Effekt
Elektrokraftwerke
16
Wasserkraftwerke:
(Pump-)Speicherkraftwerk
Quelle: VSE
Laufwasserkraftwerk
Laufrad der Turbine
Generator
Privates Kraftwerk mit 3m Fallhöhe und 25kW Leistung
Elektrokraftwerke
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Wasserkraftwerke:
MeeresströmungskraftwerkGezeitenkraftwerk
offenes Meer Damm Staubecken
offenes Meer Damm Staubecken
bei Flut
bei Ebbe
Niveauunterschied Rohrturbine mit Generator
Elektrokraftwerke
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Windkraftwerke:
Vision der Zukunft:Höhenwindkraftwerk
Windrad
Elektrokraftwerke
19
Geothermische Kraftwerke:
„Hot-Dry-Rock-Verfahren“
Elektrokraftwerke
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Biomasse-Kraftwerke:
Gülle und Biomasse werden dem Gärbehälter zugeführt.
Im Gärbehälter werden diese Stoffe durch anaerobe Bakterien zersetzt, dabei entsteht als Abfallprodukt Dünger und ein Methan-Kohlendioxid-Gemisch, das Biogas.
Durch das Verbrennen des entstandenen Gases in einem Motor, an den ein Generator angeschlossen ist, entsteht Wärme und Strom.
Dieser Strom kann entweder direkt in Haushalten oder Betrieben verwendetwerden, und/oder ins öffentlicheStromnetz eingespeist werden.
Elektrokraftwerke
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Brennstoffzelle:
Video
Kraftwerke im Vergleich
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Wärme-KW Kern-KW Biomasse-KW Wasser-KW Wind-KW Photovoltaik
Wirkungsgrad ca. 40% ca. 33% 20-35% bis 95% 20-40% 13-17% (steigend)
Brennstoff Kohle Müll
Heizöl Uran Biogas
Erdgas Holzabfälle, ...
Standort benötigt nicht in Staustufen; Küstenländer; alle Freiflächen und
Infrastruktur; Ballungsgebieten; Stauseen Bergkämme Hausdächer mit
Gewässer zur Gewässer zur Südlage
Kühlung Kühlung
Umwelt Abwärme radioaktive Stoffe vgl. Wärme-KW Eingriff in Natur Lärm und Herstellung;
(60% der Energie können in die und flimmernder Entsorgung
heizt die Umwelt Umgebung Landschaftsbild Schattenwurf
auf; gelangen; durch
Treibhauseffekt Problem der Rotorblätter
Endlagerung;
Abwärme
Aussichten noch unverzicht- nur noch bis noch ausbaubar kaum noch noch ausbaubar nur bei höherem
(Deutschland) bar 2021 in Betrieb ausbaubar Wirkungsgrad und
geringeren
Herstellungskosten
gut
Energiewirtschaft
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Stromerzeugung Bayern 200120% Erneuerbare/Sonstige11% Kohle1% Öl7% Gas61% Kernenergie
Stromerzeugung Deutschland 200310% Erneuerbare/Sonstige51% Kohle1% Öl10% Gas28% Kernenergie
83,7TWh
570TWh
Anteil am Grundlastverbrauch:
Gewichtung der erneuerbaren Energien
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Deutschland 200163% Wasserkraft22% Biomasse11% Wind3,5% Sonnenenergie, Geothermie
Bayern 200161% Wasserkraft35% Biomasse0,5% Wind3% Sonnenenergie, Geothermie
Energieresourcen in EUMENA
a year
Energiereserven und ihr Potential
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Weltweit: jährliche wirtschaftlich bei unverändertemStromproduktion förderbare Verbrauch erschöpft
Vorräte für im1000 TWh 1000 TWh Jahr
Öl 45 2680 2047Gas 24 1600 2069Kohle 33 5700 2175Uran 4 460 2106Gesamt: 106 10440 2103
EUMENA: mögl. rentable jährl.Stromproduktion
1000 TWhWindkraft 1950Photovoltaik 325Biomasse 1350Geothermie 1100Wasserkraft 1350Solarthermie 630000
Zahlen basieren auf denVerbrauchswerten aus dem Jahr 2005.